Elektromobilität Alterung von Feststoffbatterien verfolgen

Feststoffbatterien können mehr Energie speichern und sind sicherer als Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Allerdings halten sie nicht so lange und ihre Kapazität nimmt mit jedem Ladezyklus ab. An der Ursacherforschung arbeiten das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und die Justus-Liebig-Universität Gießen.

Das Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) und die Justus-Liebig-Universität Gießen haben eine neue Methode entwickelt, um elektrochemische Reaktionen während des Betriebs einer Feststoffbatterie mit Photoelektronen-Spektroskopie zu verfolgen. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, Batteriematerialien und -design zu verbessern.

Schneller Kapazitätsverlust

Feststoffbatterien verwenden zwischen den Elektroden einen festen Ionenleiter anstelle eines flüssigen Elektrolyten, um den Transport von Lithium zu ermöglichen. Das bringt Vorteile wie eine höhere Sicherheit während des Betriebs und eine höhere Kapazität mit sich. Allerdings ist die Lebensdauer von Festkörperbatterien bislang noch äußerst begrenzt. Denn an den Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektrode bilden sich Zersetzungsprodukte und Zwischenphasen, die den Transport der Lithium-Ionen behindern und zu einem Verbrauch von aktivem Lithium führen, so dass die Kapazität der Batterien mit jedem Ladezyklus abnimmt.

Neuer Forschungsansatz

Nun wurde ein neuer Ansatz entwickelt, um die elektrochemischen Reaktionen an der Grenzfläche zwischen Festelektrolyt und Elektrode mit hoher zeitlicher Auflösung zu analysieren. Die Fragen, die sich das Team gestellt hat, waren: "Unter welchen Bedingungen und bei welcher Spannung finden solche Reaktionen statt, und wie entwickelt sich die chemische Zusammensetzung dieser Zwischenphasen während des Zellbetriebs?"

Für die Studie analysierte man Proben des Festelektrolyten Li6PS5Cl, ein Material, das aufgrund seiner hohen Ionenleitfähigkeit als bester Kandidat für Feststoffbatterien gilt. Als Arbeitselektrode diente eine hauchdünne Schicht aus Nickel (30 Atomlagen oder 6 Nanometer). Auf die andere Seite des Li6PS5Cl-Pellets wurde ein Lithiumfilm gepresst, der als Gegenelektrode diente.

Echtzeit-Analyse

Um die Grenzflächenreaktionen und die Bildung einer Zwischenschicht (SEI) in Echtzeit und in Abhängigkeit von der angelegten Spannung zu analysieren, setzte man auf die Methode der harten Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (HAXPES) mit den analytischen Möglichkeiten des Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL): Röntgenstrahlen treffen dabei auf die Probe, regen die Atome darin an und die emittierten Photoelektronen in Abhängigkeit von der angelegten Zellspannung und der Zeit geben Aufschluss über die Reaktionsprodukte. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zersetzungsreaktionen nur teilweise reversibel sind.

Methode auch für andere Batteriematerialien interessant

"Wir zeigen, dass es möglich ist, mit einem ultradünnen Stromkollektor die elektrochemischen Reaktionen an den vergrabenen Grenzflächen mit Methoden der Oberflächencharakterisierung zu untersuchen", erklärt Dr. Elmar Kataev, Leiter des Forschungsteams beim HZB. Das HZB-Team hat bereits Anfragen aus dem In- und Ausland erhalten. In einem nächsten Schritt will das HZB-Team diesen Ansatz erweitern und auch Batterien mit Polymerelektrolyten und verschiedenen Anoden- und Kathodenmaterialien untersuchen.  (se)

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